一种可通过调节纳米叠层比例来调节波长的多层膜LED及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种可通过调节自身纳米叠层比例来调节波长的LED及其制备方法，属于半导体发光技术领域。本发明专利技术通过旋涂和原子层沉积的方法，控制生长的工艺参数，调节器件结构，把有机材料和无机材料杂化，利用氧化锌和氧化铝界面处量子限域效应，可以获得不同波长的LED；本发明专利技术提供的LED结构包括阳极、空穴注射层、空穴传输层、发光层、电子传输层和阴极的多层膜结构，具有低开启电压、尺寸小、寿命长、环境友好、可调节波长的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种可通过调节纳米叠层比例来调节波长的多层膜LED及其制备方法
本专利技术涉及半导体发光
，尤其涉及一种低开启电压、尺寸小、寿命长、环境友好、可调节波长的发光二级管LED及其制备方法。
技术介绍
发光二极管(LED)是目前人类发现的最后一种灯源，作为一种新型光源，LED灯通过半导体的分子结构获取能量，而不是传统的热运动分子发光。利用量子辐射跃迁LED可得到特定波长的光，不同物质的跃迁能级不同，因此可通过不同物质的组合得到不同的波长的光。氮化镓(GaN)基蓝光LED在2014年获得了诺贝尔物理学奖，获奖理由就是因为专利技术了高效蓝光二极管，带来了明亮而节能的白色LED光源，由此可看出LED技术的重要性。但通过GaN基制备的LED工艺复杂，造价昂贵，限制了其进一步的发展。氧化锌(ZnO)作为一种宽禁带的直接带隙半导体，因其优异的光电性能，被认为最有可能替代氮化镓的第三代半导体。典型的ZnO纳米结构的光致发光PL光谱为两个部分，一个为380nm左右的紫外光本征发光峰，一个为波长很宽的可见光缺陷发光峰，由于制备ZnO薄膜的过程中引入的非有意掺杂与本征缺陷，其可见光峰根据不同的缺陷可得到不同的颜色。制备半导体器件的方法有很多，但随着半导体器件越来越微型化，用更薄的膜来发光具有很强的现实意义。原子层沉积(ALD)作为一种纳米尺度的制备薄膜材料的方法，近年来也受到了越来越多的关注。ALD通过气相前驱体交替脉冲，使其进入腔室后吸附于基片，发生自限制化学反应，由于一次循环只生长一层薄膜，控制生长周期循环数就可以精确控制薄膜生长厚度，适合制备薄膜发光材料。在近几年的研究中，有机发光二极管(OLED)以及量子点发光二极管(QLED)成为研究的重点，这两种体系都可成为柔性发光材料，但是这两种体系都存在自己的问题。有机发光二极管需要采用有机层作为发光材料，但有机层的稳定性存在问题，而且发光的颜色只能选择不同的有机层材料，因此只能发出70多种颜色的光。现在无论是国外的三星、苹果还是国内京东方都在大力将OLED作为下一代显示面板材料。现在市场上已经有采用了OLED为面板的手机、电脑和电视，但其价格都十分昂贵。为了在新一轮的半导体革命中占据领先地位，制备低成本，高效率，环境友好的发光二极管具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术为了降低制造成本，利用同一材料体系发光，提供了一种制备LED的新思路，利用ZnO和Al2O3两种廉价、环保的材料进行发光，设计了包括阳极、空穴注射层、空穴传输层、发光层、电子传输层和阴极的多层膜结构。本专利技术使用悬涂和ALD沉积两种制备手段，可制备出可见光范围内不同波长的LED。通过调节a-ZnO/b-Al2O3叠层材料的不同比例，即可制备在同一材料体系下发出不同波长的LED，降低了制造成本。具体的制备步骤如下：步骤一：ITO(导电玻璃)基片的表面预处理。将ITO基片先使用丙酮超声清洗30min，再用去离子水超声清洗30min，最后用乙醇超声清洗30min，之后用氮气枪将ITO表面吹干，用紫外光臭氧处理30min。将ITO基片一端用的高温胶带粘贴，作为阳极。步骤二：使用PEDOT:PSS进行一次旋涂。将经过步骤一处理的ITO基片固定在旋涂机上，旋涂的速度及时间为：低转速600r/min，持续5s，高转速3800r/min，持续25s，再将ITO基片放置在150℃的烘箱中热处理10min。PEDOT是EDOT(3，4-乙烯二氧噻吩单体)的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸盐。步骤三：使用poly-TPD进行二次旋涂。将经过步骤二处理的ITO基片固定在旋涂机上，在一次旋涂表面继续二次旋涂，二次旋涂的速度及时间为：低转速500r/min，持续5s，高转速1800r/min，持续25s，再将ITO基片放置在130℃的烘箱中热处理10min。poly-TPD是聚[双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺]，一种高空穴传输率的高分子材料。步骤四：将经过步骤三二次旋涂处理的ITO基片放入ALD设备的生长腔室中，将超纯水、二乙基锌和三甲基铝的源瓶接入生长腔室；采用N2载气，并将载气流量调至20Sccm，清洗二乙基锌和三甲基铝接入的气路，将生长腔室抽真空，并对生长腔室及通气管路加热至150℃。保持温度稳定，且生长腔室气压降至7×10-1Torr以下。步骤五：以二乙基锌气相前驱体为源，超纯水气相前驱体作为氧化剂，使用0.02s脉冲时间，沉积a层的ZnO子层，然后等待200-300s。步骤六：以三甲基铝相前驱体为源，超纯水气相前驱体为氧化剂，使用0.03s脉冲时间，在ZnO子层上沉积b层的Al2O3子层，等待200-300s。步骤七：重复步骤五至步骤六，反复若干次循环后，使组成为(a-ZnO/b-Al2O3)n的纳米叠层具有一定厚度。其中，n的取值为2以上的自然数。a和b的取值为整数。步骤八：以二乙基锌气相前驱体为源，超纯水气相前驱体作为氧化剂，使用0.02s脉冲时间，循环沉积300层ZnO层，得到50nm的ZnO柱状晶电子传输层。步骤九：将ITO基片从ALD腔室中取出，在ALD的沉积层涂抹导电银浆作为负极，撕下高温胶带得到ITO阳极，即得到本专利技术的多层膜LED。本专利技术的优点在于：1.由本专利技术提供的制备方法制备的LED，不需要改变体系材料，仅通过改变ZnO/Al2O3纳米叠层的比例，就可得到不同波长范围的可见光。2.由本专利技术提供的制备方法得到的LED，其开启电压仅通过改变ZnO/Al2O3纳米叠层的厚度，即可得到开启电压很低的LED。3.由本专利技术提供的制备方法制备的LED，其制备所需的设备较少，不需要其他材料体系，方法简单，成本较低。附图说明图1为本专利技术设计的LED器件结构示意图。图2为本专利技术提供的制备方法制备的LED器件的SEM截面图。图3为实施例1中发光层配比为4-ZnO/10-Al2O3的LED器件EL光谱及实物图。图4为实施例2中发光层配比为6-ZnO/10-Al2O3的LED器件EL光谱及实物图。图5为实施例3中发光层配比为8-ZnO/10-Al2O3的LED器件EL光谱及实物图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术提出了一种制备LED的新思路，设计了包括空穴注射层、空穴传输层、发光层、电子传输层的多层膜结构，使用有机材料作为空穴注射层及空穴传输层，无机材料作为电子传输层，具体采用PEDOT：PSS作为空穴注射层、ploy-TPD作为空穴传输层、a-ZnO/b-Al2O3的纳米叠层作为发光层、ZnO柱状晶作为电子传输层，其结构示意图如图1所示。在加入正向偏压后，电子通过负极、电子传输层来到发光层，空穴通过正极、空穴注射层、空穴传输层来到发光层，在发光层中空穴与电子在ZnO层与Al2O3层的界面处发生复合，由于ZnO层的厚度不同，所引起的量子限域效应不同，因此可发出不同颜色的光。本专利技术还提供了一种所述LED的制备方法，具体步骤为：步骤一：阳极ITO基片的表面的预处理。将ITO基片先使用丙酮超声清洗30min，再用去离子水超声清洗30min，最后用乙醇超声清洗30min，之后用氮气枪将ITO表面吹干，用紫外光臭氧处理30min。将ITO基片一端用高温胶带粘贴，防止ITO表面被污染，作为正极。步骤二：使用在水溶剂中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可通过调节纳米叠层比例来调节波长的多层膜LED的制备方法，其特征在于：具体的制备步骤如下，步骤一：ITO基片的表面预处理；步骤二：使用PEDOT:PSS进行一次旋涂；PEDOT是3，4‑乙烯二氧噻吩单体的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸盐；步骤三：使用poly‑TPD进行二次旋涂；poly‑TPD是聚[双(4‑苯基)(4‑丁基苯基)胺]；步骤四：将经过步骤三二次旋涂处理的ITO基片放入ALD设备的生长腔室中，将超纯水、二乙基锌和三甲基铝的源瓶接入生长腔室；采用N2载气，并将载气流量调至20Sccm，清洗二乙基锌和三甲基铝接入的气路，将生长腔室抽真空，并对生长腔室及通气管路加热至150℃；保持温度稳定，且生长腔室气压降至7×10‑1Torr以下；步骤五：以二乙基锌气相前驱体为源，超纯水气相前驱体作为氧化剂，使用0.02s脉冲时间，沉积a层的ZnO子层，然后等待200‑300s；步骤六：以三甲基铝相前驱体为源，超纯水气相前驱体为氧化剂，使用0.03s脉冲时间，在ZnO子层上沉积b层的Al2O3子层，等待200‑300s；步骤七：重复步骤五至步骤六，反复若干次循环后，组成纳米叠层(a‑ZnO/b‑Al2O3)n；其中，n的取值为2以上的自然数；a和b的取值为正整数；步骤八：制备电子传输层；步骤九：将ITO基片从ALD腔室中取出，在ALD的沉积层涂抹导电银浆作为负极，撕下高温胶带得到ITO阳极，即得到多层膜LED。...

【技术特征摘要】
1.一种可通过调节纳米叠层比例来调节波长的多层膜LED的制备方法，其特征在于：具体的制备步骤如下，步骤一：ITO基片的表面预处理；步骤二：使用PEDOT:PSS进行一次旋涂；PEDOT是3，4-乙烯二氧噻吩单体的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸盐；步骤三：使用poly-TPD进行二次旋涂；poly-TPD是聚[双(4-苯基)(4-丁基苯基)胺]；步骤四：将经过步骤三二次旋涂处理的ITO基片放入ALD设备的生长腔室中，将超纯水、二乙基锌和三甲基铝的源瓶接入生长腔室；采用N2载气，并将载气流量调至20Sccm，清洗二乙基锌和三甲基铝接入的气路，将生长腔室抽真空，并对生长腔室及通气管路加热至150℃；保持温度稳定，且生长腔室气压降至7×10-1Torr以下；步骤五：以二乙基锌气相前驱体为源，超纯水气相前驱体作为氧化剂，使用0.02s脉冲时间，沉积a层的ZnO子层，然后等待200-300s；步骤六：以三甲基铝相前驱体为源，超纯水气相前驱体为氧化剂，使用0.03s脉冲时间，在ZnO子层上沉积b层的Al2O3子层，等待200-300s；步骤七：重复步骤五至步骤六，反复若干次循环后，组成纳米叠层(a-ZnO/b-Al2O3)n；其中，n的取值为2以上的自然数；a和b的取值为正整数；步骤八：制备电子传输层；步骤九：将ITO基片从ALD腔室中取出，在ALD的沉积层涂抹导电银浆作为负极，撕下高温胶带得到ITO阳极，即得到多层膜LED。2.根据权利要求1所述的一种可通过调节纳米叠层比例来调节波长的多层膜LED的制备方法，其特征在于：步骤一所述的预处理具体为，将ITO基片先使用丙酮超声清洗30min，再用去离子水超声清洗30min，最后用乙醇超声清洗30min，之后用氮气枪将ITO表面吹干，用紫外光臭氧处理30min；将ITO基片一端用的高温胶带粘贴，作为阳极。3.根据权利要求1所述的一种可通过调节纳米叠层比例来调节波长的多层膜LED的制备方法，其特征在于：步骤二所述的一次旋涂具体为，将经过步骤一处理的ITO基片固定在旋涂机上，旋涂的速度及时间为：低转速600r/min，持续5s，高转速3800r/min，持续25s，再将ITO基片放置在150℃的烘箱中热处理10min。4.根据权利要求1所述的一种可通过调节纳米叠层比例来调节波长的多层膜LE...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕晓昉，徐策，李进，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11